Вестник УКЦ АПИК: Технология EC+

Энергоэффективность оборудования во многом зависит от энергоэффективности использованных в нем компонентов и технических решений. В последнее время стало популярным применение в компрессорах, насосах и вентиляторах двигателей с переменной скоростью вращения.

Повышение эффективности за счет оптимизации используемых компонентов

Наряду с высокоэффективными индукционными двигателями широкое распространение в настоящее время получают двигатели с роторами на постоянных магнитах, обладающие высоким коэффициентом полезного действия. Использующие данную технологию двигатели широко известны в отрасли систем вентиляции и кондиционирования как электронно-коммутируемые двигатели (EC). Как правило, EC-двигатели используются в вентиляторах с внешним ротором.

Чтобы использовать EC-технологию в различных отраслях, компания Danfoss усовершенствовала проверенный временем алгоритм VVC+ и оптимизировала его для работы с синхронными двигателями с возбуждением от постоянных магнитов. КПД двигателей данного типа, которые часто сокращенно называют двигателями на постоянных магнитах (PM), сравним с КПД EC-двигателей. При этом конструкция PM-двигателей соответствует стандартам IEC, что позволяет легко интегрировать их как в новые, так и в существующие системы и значительно упрощает ввод двигателей в эксплуатацию.

Технология Danfoss EC+ позволяет использовать PM-двигатели, соответствующие стандартам IEC, совместно с частотными преобразователями Danfoss VLT.

Стандарты энергоэффективности

Повышение эффективности работы системы является простым способом сокращения ее энергопотребления. По этой причине Евросоюз утвердил минимальные стандарты энергоэффективности для ряда технических устройств. Так, для трехфазных индукционных двигателей введен стандарт минимальной энергетической эффективности (MEPS) (см. табл.).

Таблица. Стандарты MEPS для электродвигателей

Действителен с Мощность, кВт MEPS Альтернатива MEPS
16 июня 2011 г. 0,75–375 IE2  
1 января 2015 г. 0,75–7,5 IE2  
1 января 2015 г. 7,5–375 IE3 IE2 + преобразователь
1 января 2017 г. 0,75–375 IE3 IE2 + преобразователь

Однако для достижения максимальной энергоэффективности необходимо уделять внимание производительности системы в целом. К примеру, частое выполнение циклов «пуск/остановка» на двигателях класса IE2 приводит к росту энергопотребления, который сводит к нулю экономию, достигаемую в штатном режиме функционирования.

Особое внимание также необходимо уделять вентиляторам и насосам. Использование преобразователя частоты совместно с устройствами данного типа позволяет добиться более высокой эффективности. Таким образом, определяющим фактором является общая производительность системы, а не производительность отдельных компонентов. В соответствии с VDI DIN 6014 КПД системы определяется как произведение КПД ее составных частей:

КПДсистемы = КПДпреобразователя × КПДдвигателя × КПДсоединения × КПДвентилятора.

В качестве примера можно рассмотреть КПД центробежного вентилятора с внешним ротором, используемого совместно с EC-двигателем. Для достижения компактного размера системы двигатель частично находится внутри рабочего колеса вентилятора. Подобная схема снижает производительность вентилятора и эффективность системы в целом. Таким образом, высокая эффективность двигателя вовсе не гарантирует высокую эффективность всей системы (рис. 1).

КПД различных систем, использующих центробежный вентилятор диаметром 450 мм. КПД двигателей определен в ходе измерений. КПД вентиляторов получен из каталогов производителей
Рис. 1. КПД различных систем, использующих центробежный вентилятор диаметром 450 мм. КПД двигателей определен в ходе измерений. КПД вентиляторов получен из каталогов производителей

Принцип работы EC-двигателя

В отрасли систем вентиляции и кондиционирования под EC-двигателем, как правило, понимают особый тип двигателя, обладающий компактным размером и высоким КПД. EC-двигатели работают на основе принципа электронной коммутации вместо традиционной коммутации с использованием щеток, характерной для двигателей постоянного тока. Производители EC-двигателей заменяют обмотку ротора постоянными магнитами. Магниты позволяют повысить эффективность, а электронная коммутация устраняет проблему механического износа щеток. Поскольку принцип работы EC-двигателя аналогичен принципу работы двигателя постоянного тока, такие двигатели часто называют бесколлекторными двигателями постоянного тока (BLDC).

Двигатели данного класса обычно имеют мощность до нескольких сот ватт. В отрасли систем вентиляции и кондиционирования они чаще всего применяются в виде внешних роторных двигателей и используются в широком диапазоне мощности. Мощность некоторых устройств может достигать 6 кВт.

Различные типы двигателей
Рис. 2. Различные типы двигателей

Благодаря встроенным постоянным магнитам двигатели с возбуждением от постоянных магнитов не требуют для возбуждения отдельной обмотки. Однако для работы им необходим электронный контроллер, который генерирует вращающееся поле. Подключение напрямую к линии электропитания, как правило, невозможно или приводит к снижению КПД. Для управления двигателем контроллер (преобразователь частоты) должен уметь определять текущее состояние ротора в любой момент времени. Для этой цели используются два различных метода, один из которых использует обратную связь со стороны датчика для определения текущей позиции ротора, а другой ее не использует.

Сравнение различных видов коммутации
Рис. 3. Сравнение различных видов коммутации

Отличительной особенностью двигателя с возбуждением от постоянных магнитов является характер обратной электродвижущей силы (ЭДС). В режиме генератора двигатель вырабатывает напряжение, которое называется обратной ЭДС. Для оптимального управления двигателем контроллер должен обеспечивать максимальное соответствие формы сигнала входного напряжения форме сигнала обратной ЭДС. Производители бесколлекторных двигателей постоянного тока используют для этой цели коммутацию по прямо­угольному импульсу (рис. 3).

PM-двигатели в качестве альтернативы EC-двигателям

Каждый тип двигателя на постоянных магнитах обладает своими преимуществами и недостатками. PM-двигатели с синусоидальной коммутацией проще в структурном плане, но им требуется более сложная схема управления. В случае EC-двигателей ситуация диаметрально противоположная: создание прямоугольного сигнала обратной ЭДС является более сложной задачей, но структура схемы управления значительно упрощается. Однако для технологии электронной коммутации характерна более высокая неравномерность крутящего момента по причине использования коммутации по прямоугольному импульсу. Двигатели данного типа также используют в 1,22 раза более высокое напряжение в сравнении с PM-двигателями по причине использования двух фаз вместо трех.

Эквивалентные схемы двигателей
Рис. 4. Эквивалентные схемы двигателей

Использование в двигателе постоянных магнитов (рис. 4) практически полностью устраняет потери на роторе, что приводит к повышению эффективности.

Преимущества EC-двигателей с точки зрения эффективности в сравнении с традиционными однофазными индукционными двигателями с расщепленными полюсами оказываются наиболее значительными в диапазоне мощности нескольких сот ватт. Трехфазные индукционные двигатели, как правило, обладают мощностью свыше 750 Вт. Преимущество в эффективности со стороны EC-двигателей уменьшается по мере роста номинальной мощности оборудования. Системы на основе EC-двигателей и PM-двигателей (электроника плюс двигатель) при схожих конфигурациях (источник питания, электромагнитный фильтр и т. д.) обладают сопоставимыми КПД.

В настоящее время широко распространены трехфазные индукционные двигатели со стандартными установочными размерами и размерами рамы, определенными в стандартах IEC EN 50487 или IEC 72. Однако многие PM-двигатели используют другие стандарты. В качестве типичного примера можно рассмотреть сервоприводы. Обладающие компактным размером и длинным ротором серво­приводы оптимизированы для приложений с высокой динамикой.

В настоящее время доступны PM-двигатели со стандартными размерами рамы, соответствующими IEC, что позволяет использовать в существующих системах высокоэффективные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов. Это позволяет заменить старые трехфазные индукционные двигатели (TPIM) более эффективными PM-двигателями.

Существуют два типа PM-двигателей, соответствующих стандартам IEC:

Вариант 1. Двигатели типа PM/EC и TPIM имеют одинаковый размер рамы.

Пример. Двигатель типа TPIM мощностью 3 кВт может быть заменен двигателем типа EC/PM аналогичного размера.

Вариант 2. Двигатель типа PM/EC с оптимизированным размером рамы и двигатель типа TPIM обладают одинаковой номинальной мощностью. В связи с тем что PM-двигатели обычно имеют более компактный размер при сравнимом уровне мощности, размер рамы оказывается меньше, чем для двигателя типа TPIM.

Пример. Двигатель типа TPIM мощностью 3 кВт может быть заменен двигателем типа EC/PM с размером рамы, соответствующим двигателю типа TPIM мощностью 1,5 кВт.

Технология EC+

Технология Danfoss EC+ появилась в ответ на требования клиентов. Она позволяет использовать PM-двигатели совместно с частотными преобразователями Danfoss. Клиенты имеют возможность выбрать двигатель любого производителя. Таким образом, они получают все преимущества технологии EC по сравнительно низкой цене, не теряя при этом возможности оптимизации всей системы по мере необходимости.

Сочетание наиболее эффективных отдельных компонентов в рамках одной системы также предоставляет целый ряд преимуществ. За счет использования стандартных компонентов клиенты оказываются независимыми от поставщиков и имеют свободный доступ к запасным частям. Не требуется выполнять подгонку установочных соединений при замене двигателя. Ввод двигателя в эксплуатацию аналогичен вводу в эксплуатацию стандартного трехфазного индукционного двигателя.

Преимущества технологии EC+

Сравнение размеров стандартного трехфазного индукционного двигателя - снизу, и оптимизированного PM-двигателя - сверху
Рис. 5. Сравнение размеров
стандартного трехфазного
индукционного двигателя
(снизу) и оптимизированного
PM-двигателя (сверху)

К преимуществам технологии EC+ можно отнести следующие факторы:

  • Возможность выбора используемого типа двигателя (двигатель на постоянных магнитах или асинхронный двигатель).
  • Схема управления двигателем остается неизменной.
  • Независимость от производителя в выборе компонентов двигателя.
  • Высокая эффективность системы достигается благодаря использованию высокопроизводительных компонентов.
  • Возможность модернизации существующих систем.
  • Широкий диапазон значений номинальной мощности двигателей.
  • Заметно сниженные массогабаритные показатели оборудования (рис. 5).

Помимо перечисленных выше преимуществ следует также отметить еще одну особенность технологии EC+. Дело в том, что обычные электронно-коммутируемые вентиляторы не могут обеспечить производительность выше номинальной, так как имеют ограничение по частоте вращения. В то же время вентиляторы, построенные по архитектуре ЕС+, могут быть разогнаны до скорости вращения рабочего колеса выше номинальной. На практике это означает возможность увеличения расхода воздуха выше номинального.

Кроме того, работа двигателей ЕС+ может контролироваться по сетевым протоколам BACnet, ModBus и другим.

Технология EC+ с точки зрения конечных пользователей

Отдельно следует сказать о взгляде на технологию EC+ с точки зрения конечных пользователей (как правило, это специалисты по проектированию, монтажу и эксплуатации систем вентиляции):

Знакомая технология. Многие специалисты уже давно используют стандартные двигатели серии Danfoss VLT HVAC Drive. Конфигурация PM-двигателей является практически идентичной. Пользователю достаточно ввести новые параметры двигателя в систему управления зданием. Принцип контроля работы двигателя остается при этом неизменным. Таким образом, управление двигателями различного типа в рамках одной системы не составляет труда. Также существует возможность замены стандартного индукционного двигателя на PM-двигатель.

Независимость от производителя. Пользователи обладают гибкостью в настройке систем благодаря возможности выбора стандартных компонентов различных производителей. Оптимальная производительность систем. Единственным способом достижения оптимальной производительности является использование наиболее эффективных компонентов. Пользователи, желающие добиться максимальной экономии электроэнергии, должны не только использовать эффективные компоненты, но также иметь в своем распоряжении эффективную систему, построенную на базе этих компонентов.

Низкая стоимость технического обслуживания. Недостатком интегрированных систем часто является невозможность замены отдельных компонентов. Изношенные детали (например, подшипники) далеко не всегда можно заменить, не меняя сам двигатель, что может приводить к серьезным затратам. Принцип работы технологии EC+ предполагает использование стандартных компонентов, которые пользователь может менять независимо друг от друга. Это позволяет свести к минимуму расходы на обслуживание системы.

Таким образом, технология EC+ видится весьма перспективной в свете современных тенденций энергосбережения и повышения степени контролируемости и управляемости различных элементов инженерных подсистем здания. Свою роль должна сыграть и универсальность технологии — возможность ее применения на ранее установленном оборудовании.

Юрий Хомутский, технический редактор журнала «МИР КЛИМАТА»

В статье использованы материалы из технической документации компании Danfoss.



наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест